CN110530500B - 一种基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构，包括：信号输入端，用于输入脉冲信号；补偿干涉组件，具有非平衡臂差，用于将脉冲信号转换为具有延迟的脉冲信号对并输出；光环形组件，用于传输脉冲信号对；时分复用阵列组件，具有时分复用阵列，用于对脉冲信号对进行分束、延迟，并将获取传感信号后的各延迟信号进行合束，以及将带有传感信号的时分复用干涉脉冲信号由输入输出端口传输至光环形组件的第二端口；信号输出端，用于输出有传感信号的时分复用干涉脉冲信号。能够大幅度提升大规模光纤水听器远程传输阵列的综合性能，使其满足光纤水听器海底岸基固定阵等相关领域的应用需求。

Description

一种基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构

技术领域

本发明涉及光纤水听器技术领域，具体是一种基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构。

背景技术

光纤水听器是一种建立在光纤和光电技术基础上，利用声波对水下声学目标进行探测、定位和识别的光纤传感器。光纤水听器具有体积小、重量轻等优势，可方便地组建各种水下光纤传感网络，为解决关系海洋发展战略的水声探测和石油勘探等问题提供了理想的技术途径。光纤水听器的典型应用方式包括海底岸基固定阵、拖曳阵和浮潜标等，其中岸基阵列具有阵型稳定，可长期连续值守以及远离舰船自噪声低等优点，具有重要的应用前景。随着应用需求的不断提升，光纤水听器岸基阵列朝着超大规模、超远距离的方向发展，随之带来了远程传输噪声激增、大规模阵列的成本和制作难度增加等问题，给光纤水听器的实际应用带来考验。目前，低噪声、高可靠的大规模光纤水听器远程传输系统已经成为国内外相关机构的研究热点，初步的理论和实验结果如下：

(1)在大规模光纤水听器阵列技术层面，已有的系统方案有等臂光程补偿干涉光学方案和独立探头干涉方案等。等臂补偿干涉阵列光学结构通常由1个补偿干涉仪和1个时分复用延迟反射串构成的阵列组成。时分复用阵列由分束/合束耦合器组、延迟线圈(探头传感光纤)及反射端面等光无源器件组成，延迟线圈臂差L₁。时分复用阵列相邻通道间延迟时间差τ₁＝2L₁n/c，n为光纤折射率，c为真空中光速；补偿干涉仪为一个臂差L的非等臂马增干涉仪，其输出脉冲对的延时差τ₂＝Ln/c。等臂补偿干涉结构中设置2L₁＝L₂，补偿干涉仪输出脉冲对的时延差与时分复用脉冲通道时延差相等，即补偿后两束干涉光场的时延差Δτ＝τ₁-τ₂＝0。实际应用中，补偿干涉仪位于光发射端或接收端，时延匹配时分复用(TimeDivisionMultiplexing，TDM)阵列位于湿端，两者组合后实现水听器阵列的干涉，输出光信号为包含时分复用传感信息的等臂干涉脉冲序列。国外实验室(NRL)的研究表明：补偿干涉光学结构的光纤水听器阵列延迟光纤可同时作为光纤水听器传感探头光纤，单支光纤耦合器可实现分束和合束功能。而独立探头干涉型TDM阵列结构中，每一个水听器探头均由一个迈克逊干涉仪组成，延迟光纤仅完成TDM通道延时功能。因此相比独立探头干涉型TDM阵列，光程补偿干涉TDM阵列可大大简化阵列的光学器件数目、熔接点数目以及制作工艺复杂度，在大规模成阵中具有结构简单、可靠性高和成本低等优势。因此补偿干涉光学结构是大规模光纤水听器阵列的首选光学方案。

(2)在光纤水听器远程传输技术层面，随着模拟光信号传输距离的增加，也伴随着相干瑞利散射噪声(Rayleigh)、受激布里渊散射(stimulatedBrillouin scattering，SBS)、四波混频(Four-WaveMixing，FWM)等线性和非线性噪声的加剧，进而影响光纤水听器的微弱声学信号探测能力。其中相干瑞利散射噪声是最重要的线性噪声之一，采用光学隔离器以及基于非平衡独立干涉的内调制相位产生载波(Phase Generation CarrierPGC)解调技术可大幅度降低瑞利噪声对水听器远程传输系统的影响。内调制PGC调制解调技术是光纤水听器应用较为广泛的一种信号解调方案。该方案通过在光源上加载一定频率和幅度的正弦调制信号，经水听器非平衡干涉仪的臂差将频率调制信号引入水听器的干涉相位信号中，在光频调制移频量(Δf₁)与独立干涉仪臂差时延(Δτ)满足2πΔf₁×Δτ＝2.4rad时，可实现高稳定的信号解调且瑞利散射噪声抑制效果超过20dB；在各种非线性噪声中，SBS阈值最低，其对水听器系统的影响远超其它效应，严重限制了光纤水听器阵列的远程传输距离和阵列规模。已有的SBS抑制方案为控制注入光功率在SBS阈值之下和参数匹配相位调制(PhaseModulation，PM)技术等。参数匹配PM技术采用非平衡独立干涉方案，在相位调制频率(Δf₂)与独立干涉仪臂差时延(Δτ)满足Δf₂×Δτ＝k(k为正整数)条件时，可将SBS阈值提高10dB以上。该方案在不明显增加水听器相位噪声的同时实现干涉信号的稳定解调，可大幅度提升阵列规模和远程传输距离，具有很好的应用前景。因此，采用内调制PGC调制解调和参数匹配PM技术，基于非平衡干涉结构实现线性与非线性噪声的综合抑制是光纤水听器远程传输系统优选的信号解调和光学噪声抑制方案。

由以上技术发展特点及优势可知，将光程补偿干涉光学技术与PGC和PM调制技术相结合是构建高性能光纤水听器大规模远程传输系统的重要技术途径。但基于特殊的技术壁垒，在已有文献报道或专利中，PGC调制解调技术仅限于应用在非平衡独立探头结构的光纤水听器远程传输系统，参数匹配PM技术仅报道于单基元非平衡独立干涉的远程传输水听器系统中，而等臂光程补偿干涉光学方案仅与外差解调等方案结合应用于大规模光纤水听器阵列系统中。目前尚无将以上几种技术同时应用于大规模光纤水听器阵列远程传输系统，实现水听器阵列信号稳定解调及传输噪声抑制的报道。

现有技术的光纤水听器阵列系统大多基于以下两种方案：1、采用外差解调的等臂差补偿干涉阵列方案；2、采用PGC调制解调的非平衡独立探头阵列方案。

(1)方案一采用外差解调的等臂补偿干涉阵列光学结构具有阵列光学结构和信号处理方法简单、阵列可靠性高以及成本低等优点，适合大规模光纤水听器阵列的工程应用。但在应用于光纤水听器远程传输阵列时存在一些问题：

1、采用外差解调的等臂补偿干涉结构中，阵列延迟光纤长度往返长度与马增型补偿干涉仪的臂差相等，即补偿后的干涉时延Δτ＝0，由此导致Δf₂×Δτ≡0，无法满足相位调制方案Δf₂×Δτ＝k(k为正整数)的要求。因此远程传输受激布里渊散射噪声的抑制仅能通过控制注入远程光纤的光功率在受激布里渊散射阈值之下来实现。相比相位调制受激布里渊散射抑制方案，系统总的光功率预算将降低10dB以上，远程传输距离和阵列规模均大受限制。

2、外差解调的等臂补偿干涉结构通过在干涉光场的两束光中引入固定的频率差Δf，并提取相关频率的信号实现水听器相位信息的解调，外差解调方案自身不具备噪声抑制的能力。而内调制基于非平衡独立干涉的内调制相位产生载波(PGC)方案在光源上加一定幅度的光频调制，通过对调制信号的解调实现水听器传感信息的提取。PGC光频调制可以将相干瑞利散射光场调制并分散至调制频率的各倍频，因此PGC调制解调方案具有瑞利散射噪声抑制优势，更适合应用于远程传输阵列系统中。但基于与PM调制类似的原因，由于等臂补偿干涉阵列系统中Δτ＝0，无法满足2πΔf₁×Δτ＝2.4rad的PGC调制解调方案基本条件，因此内调制PGC调制解调方案的优势也无法应用于现有的补偿干涉阵列中。

3、在光纤水听器远程传输系统中，外界声、振动以及温度扰动等干扰均会作用至传输光纤中并经过远程传输实现累积，并最终在水听器干涉信号中引入拾音噪声。现有的外差解调等臂补偿干涉方案将补偿干涉仪放置在系统的发射端，远程传输光纤位于补偿干涉仪之后及时分复用阵列前。传输光纤拾音噪声经时分复用阵列匹配后，噪声光场的时间差异由时分通道延迟时间τ₁决定，即τ₁＝2L₁n/c。因此光纤拾音噪声经TDM阵列的光学微分效应转换干涉相位噪声，噪声幅度D_n满足以下关系：

D_n＝2πf_nA_nτ₁ (1)

其中f_n和A_n分别为光纤拾音噪声的频率和初始幅度。式(1)表明微分噪声幅度D_n与TDM通道延迟时间τ₁，即TDM延迟线圈的往返臂差L₁成正比。在独立探头干涉的光学系统中，D_n与探头的臂差δ_L成正比。为减小光源频率抖动δ_f通过臂差δ_L引入水听器干涉系统的相位噪声，δ_L通常控制在m量级；而补偿干涉结构中L₁通常在几十m量级，因此由(1)式决定的补偿干涉系统拾音噪声远大于独立干涉结构。

(2)方案二采用PGC调制解调的非平衡独立探头阵列方案，阵列中每个探头均为一个非平衡干涉的迈克尔逊干涉仪，时分复用系统采用独立于探头的延迟光纤和分束/合束耦合器。通过在光源加载PGC调制制信号，可实现对每一个探头调制信号的同时加载与干涉相位信息解调。但该方案的缺点是阵列每个探头均为一个独立的迈克尔逊干涉仪，时分复用阵列采用的耦合器、光纤、反射镜和熔接点数目等均为补偿干涉结构的2～3倍。因此，在大规模阵列的实际制作过程中，独立探头方案相对补偿干涉方案大幅增加了工艺的复杂性同时也增加了阵列的光学损耗和成本，具有明显的劣势。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构，可与PGC调制解调及参数匹配PM调制技术的远程噪声抑制和高稳定信号解调的优势相结合，大幅度提升大规模光纤水听器远程传输阵列的综合性能，使其满足光纤水听器海底岸基固定阵等相关领域的应用需求。

为实现上述目的，本发明提供一种基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构，包括：

信号输入端，用于输入脉冲信号；

补偿干涉组件，具有非平衡臂差，包括输入端口与输出端口，补偿干涉组件的输入端口与信号输入端通过连接光纤相连，用于将脉冲信号转换为具有延迟的脉冲信号对并输出；

光环形组件，包括第一端口、第二端口与第三端口，光环形组件的第一端口与补偿干涉组件的输出端口通过连接光纤相连，用于传输脉冲信号对；

时分复用阵列组件，具有时分复用传感阵列，包括输入输出端口，时分复用阵列组件的输入输出端口与光环形组件的第二端口通过连接光纤相连，用于对脉冲信号对进行分束、延迟，并将获取传感信号后的各延迟信号进行合束，以及将带有传感信号的时分复用干涉脉冲信号由输入输出端口传输至光环形组件的第二端口；

信号输出端，与光环形组件的第三端口通过连接光纤相连，用于输出有传感信号的时分复用干涉脉冲信号。

进一步优选的，所述时分复用阵列组件包括N个第一光纤耦合器、N个第一延迟光纤与N+1个第一法拉第旋镜，其中，N为大于1的自然数；

所述第一光纤耦合器包括输入端口、第一输出端口与第二输出端口，所述第一法拉第旋镜包括输入输出端口，其中，第一个第一光纤耦合器的输入端口即为时分复用阵列组件的输入输出端口；

第一个第一光纤耦合器的输入端口与光环形组件的第二端口通过连接光纤相连，第一个第一光纤耦合器的第一输出端口与第一个第一法拉第旋镜的输入输出端口通过连接光纤相连；

第i个第一光纤耦合器的输入端口与第i-1个第一光纤耦合器的第二输出端口通过第i-1个第一延迟光纤相连，第i个第一光纤耦合器的第一输出端口与第i个第一法拉第旋镜的输入输出端口通过连接光纤相连，其中，i＝2～N；

第N+1个第一法拉第旋镜的输入输出端口与第N个第一光纤耦合器的第二输出端口通过第N个第一延迟光纤相连。

进一步优选的，所述时分复用阵列组件还包括若干与第一延迟光纤一一对应的弹性柱体，所述第一延迟光纤盘绕在对应的弹性柱体上以用于构成时分复用传感阵列的传感探头。

进一步优选的，各第一延迟光纤的长度相等。

进一步优选的，所述补偿干涉组件为全单模非平衡迈克尔逊干涉结构，具体包括一第二光纤耦合器与两个第二法拉第旋镜；

所述第二光纤耦合器包括输入端口、第一输出端口、第二输出端口与第三输出端口，所述第二法拉第旋镜包括输入输出端口，其中，第二光纤耦合器的输入端口即为补偿干涉组件的输入端口，第二光纤耦合器的第三输出端口即为补偿干涉组件的输出端口；

所述第二光纤耦合器的输入端口与信号输入端通过连接光纤相连，所述第二光纤耦合器的第一输出端口与第一个第二法拉第旋镜的输入输出端口通过连接光纤相连，所述第二光纤耦合器的第二输出端口与第二个第二法拉第旋镜的输入输出端口通过第二延迟光纤相连；

所述第二光纤耦合器的第三输出端口与光环形组件的第一端口通过连接光纤相连。

进一步优选的，所述第二延迟光纤的长度大于第一延迟光纤的长度，且差异值小于1m。

进一步优选的，还包括真空隔振组件，所述补偿干涉组件位于真空隔振组件以将外界声/振动干扰对补偿干涉组件的影响降至最低。

本发明提供的一种基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构，通过具有非平衡臂差的补偿干涉组件将单脉冲形式的输入脉冲信号转换为双脉冲形式的脉冲信号对输出，随后利用时分复用阵列组件对脉冲信号对进行时分复用并采集传感信号后输出带有传感信号的时分复用脉冲对，最终和将初始的脉冲信号对与带有传感信号的时分复用脉冲对组合后输出带有传感信号且非平衡补偿干涉后的时分复用干涉脉冲信号，通过非平衡补偿干涉后的时分复用干涉脉冲信号中干涉时所产生的时间差，可在光纤水听器阵列中所有的干涉信号中加载统一的PGC调制频差信号和PM调制相差信号，保证了光纤水听器阵列的一致性，并可通过PGC调制解调和PM调制实现水听器传感阵列信号的稳定解调，以及远程传输瑞利散射噪声和SBS噪声的抑制。该光纤水听器阵列结构应用在远程传输系统中时，能够将远程传输光纤独立于光纤水听器阵列之外，利用传输噪声的时延抵消效应大大减小了光学微分引入水听器传感通道的噪声幅值，使远程传输系统具有远程传输拾音噪声自抑制功能，进一步降低了远程传输噪声。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构的示意图；

图2为本发明实施例中信号输入端所输入的脉冲信号的时序结构图；

图3为本发明实施例中补偿干涉组件所输出的双光脉信号的时序结构图；

图4为本发明实施例中时分复用阵列组件所输出的时分复用干涉脉冲信号的时序结构图；

图5为本发明实施例中基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构应用在远程传输系统时的结构示意图；

图6为本发明实施例中对比测试试验结果图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示的一种基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构，包括信号输入端、补偿干涉组件(Compensated interferometer，CI)、光环形组件(opticalcirculator，CIR)、时分复用阵列组件(N×TMD)与信号输出端，具体的：

信号输入端为一连接光纤，用于将远程传输光纤中的下行光纤所输出的单脉冲形式的光脉冲信号输入基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构；

补偿干涉组件为具有非平衡臂差的全单模非平衡迈克尔逊干涉结构，具体包括一个第二光纤耦合器C₀与两个第二法拉第旋镜FRM，其中，第二光纤耦合器的耦合比为50％。第二光纤耦合器包括输入端口、第一输出端口、第二输出端口与第三输出端口，第二法拉第旋镜包括输入输出端口，其中，第二光纤耦合器的输入端口即为补偿干涉组件的输入端口，第二光纤耦合器的第三输出端口即为补偿干涉组件的输出端口；第二光纤耦合器的输入端口与信号输入端通过连接光纤相连，第二光纤耦合器的第一输出端口与第一个第二法拉第旋镜的输入输出端口通过连接光纤相连，第二光纤耦合器的第二输出端口与第二个第二法拉第旋镜的输入输出端口通过第二延迟光纤L₀相连；第二光纤耦合器的第三输出端口与光环形组件的第一端口通过连接光纤相连。

优选的，基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构还包括真空隔振组件，补偿干涉组件位于真空隔振组件以将外界声/振动干扰对补偿干涉组件的影响降至最低，因此补偿干涉组件理论上只产生延迟时间为2L₀n/c的低占空比光脉冲对，并不会对后续水听器阵列的水声探测性能产生干扰，其中，L₀为第二延迟光纤的长度，n为光纤折射率，c为光速。

通过补偿干涉组件将单脉冲形式的光脉冲信号转换为具有延迟的双脉冲形式的脉冲信号对并输出，其工作过程为：由信号输入端输入的脉冲信号由第二光纤耦合器的输入端口进入第二光纤耦合器后被分为两束相同的光脉冲信号且分别由第二光纤耦合器的第一输出端口、第二输出端口输出至两个法拉第旋镜，随后又由第二光纤耦合器的第一输出端口、第二输出端口进入第二光纤耦合器进行合束，由于第二光纤耦合器的第一输出端口与第一个第二法拉第旋镜的输入输出端口通过连接光纤相连，第二光纤耦合器的第二输出端口与第二个第二法拉第旋镜的输入输出端口通过第二延迟光纤相连，使得由两个法拉第旋镜返回的光脉冲之间具有时间间隔，经由第二光纤耦合器合束后即形成具有延迟的双脉冲形式的脉冲信号对。

光环形组件，包括第一端口1、第二端口2与第三端口3，光环形组件的第一端口与补偿干涉组件的输出端口通过连接光纤相连，用于传输脉冲信号对；

时分复用阵列组件中具有时分复用传感阵列，其包括输入输出端口，时分复用阵列组件的输入输出端口与光环形组件的第二端口通过连接光纤相连，用于对脉冲信号对进行分束、延迟，并将获取传感信号后的各延迟信号进行合束，以及将带有传感信号的时分复用干涉脉冲信号由输入输出端口传输至光环形组件的第二端口，具体的：

时分复用阵列组件包括N个第一光纤耦合器C₁～C_N、N个第一延迟光纤L₁～L_N与N+1个第一法拉第旋镜FRM₁～FRM_N+1，其中，第二延迟光纤的长度大于第一延迟光纤的长度，且差异值小于1m；N个第一延迟光纤的长度相等，N为大于1的自然数。第一光纤耦合器包括输入端口、第一输出端口与第二输出端口，第一法拉第旋镜包括输入输出端口，其中，第一个第一光纤耦合器的输入端口即为时分复用阵列组件的输入输出端口。

第一个第一光纤耦合器的输入端口与光环形组件的第二端口通过连接光纤相连，第一个第一光纤耦合器的第一输出端口与第一个第一法拉第旋镜的输入输出端口通过连接光纤相连；第i个第一光纤耦合器的输入端口与第i-1个第一光纤耦合器的第二输出端口通过第i-1个第一延迟光纤相连，第i个第一光纤耦合器的第一输出端口与第i个第一法拉第旋镜的输入输出端口通过连接光纤相连，其中，i＝2～N；第N+1个第一法拉第旋镜的输入输出端口与第N个第一光纤耦合器的第二输出端口通过第N个第一延迟光纤相连。其中，在时分复用阵列组件的实际制作过程中，根据光学器件插损、熔接点损耗等参数对各第一光纤耦合器的分束比进行精确调整和设置，本实施例中第一光纤耦合器的分束比为1/(N+1)～1/2；

优选的，时分复用阵列组件还包括若干与第一延迟光纤一一对应的弹性柱体，第一延迟光纤盘绕在对应的弹性柱体上以用于构成时分复用传感阵列的传感探头。

时分复用阵列组件的工作过程为：脉冲信号对由第一个第一光纤耦合器的输入端口进入时分复用阵列组件，通过N个第一延迟光纤(L₁～L_N)同时实现TDM阵列分脉冲延迟及水声传感功能，随后由N+1个FRM依次返回N+1个光脉冲并由各第一光纤耦合器完成合束，形成带有传感信号的时分复用干涉脉冲信号并输入至光环形组件的第二端口。

信号输出端为一连接光纤，与光环形组件的第三端口相连，用于输出带有传感信号且非平衡补偿干涉后的时分复用干涉脉冲信号。

参考图2，信号输入端所输入的脉冲信号的时序结构由外部的光脉冲发生而定，对于时分复用数目为N的光纤水听器阵列结构，图2所示的光脉冲周期T为水听器单通道采样率f_c的倒数：

式(2)中f_c与水听器的探测信号带宽f_s、TDM复用数目N以及信号调制解调方式等参数有关，在此不再赘述。为避免TDM通道脉冲串扰，图2中光脉冲的脉宽τ₀应小于TDM的通道间隔时间τ₁，τ₁的表达式为：

式中，n为光纤折射率，L₁为第一延迟光纤的长度，c为光速，图2所示的脉冲信号进入补偿干涉组件后，经补偿干涉组件分束、延时及合束后，补偿干涉组件输出未干涉的低占空比的双光脉冲序列，定义为A、B脉冲序列。AB双脉冲序列的重复周期仍然为厂，A脉冲和B脉冲之间的时间间隔τ₂由补偿干涉组件臂差，即第二延迟光纤的长度L₀决定：

参考图3所示的脉冲信号对序列，由于τ₂＞τ₀，A、B脉冲通过补偿干涉组件的臂差L₀延迟后在时序上错开，两脉冲不发生干涉。第二光纤耦合器C₀的耦合比为50％，因此A、B脉冲的幅度相等。L₀略大于L₁的光学设计使补偿干涉组件输出的双脉冲之间时延略τ₂略大于TDM通道时延τ₁，因此补偿干涉组件和TDM组合后实现非平衡的补偿干涉，并且补偿干涉后TDM前后通道的脉冲不会发生混叠。若是对信号输入端所输入的脉冲信号加载了PGC和PM调制，传输光场的频率为时变频率f(t)。令脉冲A的光频为f(t)，则由补偿干涉组件臂差L₀引起的脉冲B光频将为f(t+τ₂)。

参考图4，本实施例中的基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构所输出的干涉脉冲信号，TDM阵列有N+1个法拉第旋镜，因此单脉冲A经TDM分束、延迟及合束后，将返回由N+1个脉冲组成的TDM序列。图4中脉冲1_A～(N+1)_A为一组TDM序列，且1_A～(N+1)_A各脉冲之间的时延均为τ₁，每组序列的重复周期为T，即脉冲1_A与1′_A之间周期为T。脉冲B返回的TDM光脉冲序列与脉冲A类似，但A组TDM脉冲与B组TDM脉冲存在时延τ₂，即图4中1A和1B之间时延τ₂。TDM阵列的总返回光中，A、B两组TDM脉冲序列在时序上重合并发生干涉，在一个重复周期内发生干涉的TDM光脉冲为2_A与1_B、3_A与2_B......(N+1)_A与N_B，它们的干涉信号中分别包含传感探头S₁～S_N的传感信息，传感探头S₁～S_N即为弹性柱体以及盘绕在弹性柱体上的第一延迟光纤，并且每组发生干涉的光场之间均存在统一的微小时延Δτ：

由于光脉冲A的频率为f(t+τ₁)，脉冲B的频率为f(t+τ₂)，A、B两不同时刻的光脉冲干涉时将产生时间差Δτ，利用Δτ可在阵列所有的干涉信号中加载统一的PGC调制频差信号和PM调制相差信号，保证了系统的一致性，并可通过PGC调制解调和PM调制实现水听器传感阵列信号的稳定解调，以及远程传输瑞利散射噪声和SBS噪声的抑制。

当光频PGC调制的频移量Δf₁、PM调制的频率Δf₂，以及时延差Δτ三者之间同时满足2πΔf₁×Δτ＝2.4rad和Δf₂×Δτ＝k(k为正整数)条件时，双重调制下非平衡补偿干涉系统可达到最优的工作状态。

首先在2πΔf₁×Δτ＝2.4rad条件中，对于每个TDM通道的干涉信号，为减小光源自身频率抖动δ_f通过Δτ引入水听器干涉系统的相位噪声，通常需要将Δτ控制在10ns以下，即L₀-L₁＜1m。为满足δ_f噪声抑制需求，可选择光频调制频移量Δf₁足够高的激光器来减小Δη或ΔL。例如窄线宽半导体激光器，其Δf₁可达100MHz以上。以Δf₁＝100MHz为例，将n＝1.45、c＝3×10⁸以及C＝2.4等参数代入以上条件，可以得到ΔL和Δτ分别约为0.38m和3.8ns，其中，C表示PGC调制幅度；通过以上参数设计，补偿干涉结构的ΔL与独立探头结构臂差δL量级相等，因此经PGC和PM调制后补偿干涉系统也可获得与独立探头结构相等的PGC解调性能和远程传输噪声抑制效果；

其次考虑Δf₂×Δτ＝k(k为正整数)条件。在Δτ和ΔL已定的条件下，为使调制频率Δf₂最低，令k＝1，因此PM调制的最佳工作频率Δf₂约为263MHz。由于补偿干涉结构的Δτ与独立探头结构臂差延迟时间δτ量级相等，因此PM调制的最佳工作频率选择和噪声抑制效果等参数也与独立探头结构一致；

在以上参数基本确定的条件下，再根据光纤水听器的实际阵列规模、探测带宽以及通道采样率等系统参数，通过(2)～(3)式可得到TDM的通道延迟光纤长度L₁，以及补偿干涉组件的臂差L₀。实际应用中，L₁和L₀通常都在几十米量级。由此可得到本实施例中涉及的基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构的主要参数。通过结构及参数设计，可利用最简单的阵列光学结构实现稳定PGC调制解调以及最优远程传输瑞利散射及SBS噪声抑制效果。

在光纤水听器补偿干涉远程传输系统中，外界环境中的振动、应力等干扰作用在传输光纤上使其长度和折射率等光学特性发生变化并不断累积，由此导致传输光场的相位受到调制，最终在水听器传感信号中产生拾音噪声，该噪声是影响补偿干涉结构远程传输系统性能的重要因素之一。针对此问题应用本实施例中的基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构，将光纤水听器阵列的远程往返传输光纤独立在补偿干涉系统之外。如图5所示，补偿干涉组件、光环形组件与TDM阵列相邻放置并同时位于远程传输后的湿端探测位置，通过补偿干涉组件与TDM阵列的时延匹配效应实现拾音噪声的有效抑制。具体原理如下：

不失一般性，令光路拾音引起的传输光场相位变化为单频正弦信号：

其中φ_n和f_n分别为拾音信号的幅度和频率。该拾音信号经相邻放置的补偿干涉组件与TDM补偿干涉后，由A、B脉冲光场的光学微分效应最终转换为水听器的干涉相位噪声

(7)式中t′＝2t+τ₁+τ₂，Δτ＝τ₂-τ₁。在光纤水听器阵列远程传输实际应用场合中，拾音干扰频率f_n通常在5kHz以下，Δτ在10ns以下，因此πf_pΔτ＜＜1，(7)式可进一步简化为：

其中D_n＝2πf_nφ_nΔτ为干扰噪声的幅度。由(8)式可知，通过紧凑型补偿干涉结构设计后，远程传输光纤的拾音噪声经A、B脉冲的时延补偿干涉及光学微分效应可获得大部分的抵消。比较(8)式和(1)式可知，由于Δτ＜＜τ₁，在同等拾音幅度下，本结构通过拾音干扰转换为水听器的相位噪声幅度相比原有结构大大降低。

在实际应用中，将非平衡臂差干涉组件放置在真空隔绝的隔振组件中，并与光纤水听器阵列同时布放至海底，构成紧凑型湿端补偿干涉结构。光纤水听器阵列的探头可对水声信号实现传感，而补偿干涉组件仅在光学上产生延迟脉冲对，对水声信号不敏感，由此可实现水听器阵列的非平衡补偿干涉及水声信号探测。

综上所述，本实施例提出的一种基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构，将非平衡补偿干涉阵列光学结构与PGC调制解调和PM调制相结合，实现了远程传输相干瑞利散射和SBS噪声抑制以及阵列干涉信号的解调信号。在此基础上利用远程传输拾音噪声的时延补偿原理极大地降低了光路拾音噪声，实现了远程传输噪声的进一步抑制。本实施例同时解决了低噪声远程传输和大规模阵列结构简化难题，相对已有系统解决方案的综合性能得到极大提升，在大规模光纤水听器远程传输岸基阵领域具有很好的应用前景。

下面结合具体的传输光纤光路拾音噪声抑制、远程传输与短程传输系统噪声对比等试验对本实施例中的基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构的效果进行分析：

试验系统基于如图5所示结构，TDM阵列延迟光纤L₁＝26.5m，补偿干涉组件臂差L₀＝27.18m，非平衡匹配臂差ΔL＝0.68m。往返传输光纤均为50km，注入下行50km传输光纤的光功率为20mw，远超出自发状态下的SBS阈值。通过设置PGC调制解调和PM调制的参数，使其满足系统的最优工作条件。在下行传输光纤的一段缠绕在直径

的压电陶瓷(PZT)上。通过施加正弦电压信号到PZT上，PZT发生伸缩引起传输光纤长度的变化以模拟环境中的光路拾音信号。将本实施例中提出的时延匹配相消光学方案与传统方案进行对比试验，即首先将50km传输光纤及PZT放置在补偿干涉组件与TDM阵列之前，即本实施例中的方案，其次将50km传输光纤及PZT放置在补偿干涉组件与TDM之间，即原有干端匹配方案。PZT加2kHz、5V正弦信号，在相同的拾音干扰下，测得不同方案的拾音噪声幅度如图6所示。

图6所示结果表明，当采用传统的干端补偿干涉方案，即将补偿干涉组件放置在远程传输光纤之前时，2kHz的PZT调制信号引入的传输线路拾音噪声幅度为-44.29dB@2kHz(0dB＝1rad/sqrt(Hz))。采用本实施例提出的基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构，即将补偿干涉组件放置在传输光之后，并与TDM相邻放置时，2kHz的PZT调制信号引入的传输线路拾音噪声幅度为-75.32dB@2kHz，相比原有干端匹配方案的噪声减小31.03dB。理论上，由(1)式和(8)式可得两种方案的拾音噪声差异为：20log10(L₁/ΔL)＝31.8dB。理论和试验结果基本相符，均验证了本发明提出的基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构对光路拾音噪声的抑制效果。此外，在1kHz以下的低频段，由于外界声/振动等干扰，远程传输系统存在自发的拾音噪声，图6结果表明传统方案的自发拾音噪声幅度也远高于本实施例结构下测得的噪声结果。

在拾音噪声试验基础上，去掉往返50km传输光纤，将匹配干涉系统更改为臂差δL＝0.68m的独立干涉仪，进行了短程系统和远程系统噪声对比测试实验。由图6所示结果可得，短程系统自噪声在100Hz～5000Hz的系统带宽内均较为平坦，约-98dB～-100dB之间；经50km往返传输后，除2kHz附近PZT外加信号外，其余频段的远程系统噪声相比短程系统噪声未有明显增加。因此可得，本实施例提出的基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构具有良好的PGC及PM调制解调效果，远程传输引入的相干瑞利散射和SBS等噪声已基本消除。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构，其特征在于，包括：

信号输入端，用于输入脉冲信号；

补偿干涉组件，具有非平衡臂差，包括输入端口与输出端口，补偿干涉组件的输入端口与信号输入端通过连接光纤相连，用于将脉冲信号转换为具有延迟的脉冲信号对并输出；

光环形组件，包括第一端口、第二端口与第三端口，光环形组件的第一端口与补偿干涉组件的输出端口通过连接光纤相连，用于传输脉冲信号对；

时分复用阵列组件，具有时分复用传感阵列，包括输入输出端口，时分复用阵列组件的输入输出端口与光环形组件的第二端口通过连接光纤相连，用于对脉冲信号对进行分束、延迟，并将获取传感信号后的各延迟信号进行合束，以及将带有传感信号的时分复用干涉脉冲信号由输入输出端口传输至光环形组件的第二端口；

信号输出端，与光环形组件的第三端口通过连接光纤相连，用于输出有传感信号的时分复用干涉脉冲信号。

2.根据权利要求1所述基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构，其特征在于，所述时分复用阵列组件包括N个第一光纤耦合器、N个第一延迟光纤与N+1个第一法拉第旋镜，其中，N为大于1的自然数；

所述第一光纤耦合器包括输入端口、第一输出端口与第二输出端口，所述第一法拉第旋镜包括输入输出端口，其中，第一个第一光纤耦合器的输入端口即为时分复用阵列组件的输入输出端口；

第一个第一光纤耦合器的输入端口与光环形组件的第二端口通过连接光纤相连，第一个第一光纤耦合器的第一输出端口与第一个第一法拉第旋镜的输入输出端口通过连接光纤相连；

第i个第一光纤耦合器的输入端口与第i-1个第一光纤耦合器的第二输出端口通过第i-1个第一延迟光纤相连，第i个第一光纤耦合器的第一输出端口与第i个第一法拉第旋镜的输入输出端口通过连接光纤相连，其中，i＝2～N；

第N+1个第一法拉第旋镜的输入输出端口与第N个第一光纤耦合器的第二输出端口通过第N个第一延迟光纤相连。

3.根据权利要求2所述基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构，其特征在于，所述时分复用阵列组件还包括若干与第一延迟光纤一一对应的弹性柱体，所述第一延迟光纤盘绕在对应的弹性柱体上以用于构成时分复用传感阵列的传感探头。

4.根据权利要求2所述基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构，其特征在于，各第一延迟光纤的长度相等。

5.根据权利要求2或3或4所述基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构，其特征在于，所述补偿干涉组件为全单模非平衡迈克尔逊干涉结构，具体包括一第二光纤耦合器与两个第二法拉第旋镜；

所述第二光纤耦合器包括输入端口、第一输出端口、第二输出端口与第三输出端口，所述第二法拉第旋镜包括输入输出端口，其中，第二光纤耦合器的输入端口即为补偿干涉组件的输入端口，第二光纤耦合器的第三输出端口即为补偿干涉组件的输出端口；

所述第二光纤耦合器的输入端口与信号输入端通过连接光纤相连，所述第二光纤耦合器的第一输出端口与第一个第二法拉第旋镜的输入输出端口通过连接光纤相连，所述第二光纤耦合器的第二输出端口与第二个第二法拉第旋镜的输入输出端口通过第二延迟光纤相连；

所述第二光纤耦合器的第三输出端口与光环形组件的第一端口通过连接光纤相连。

6.根据权利要求5所述基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构，其特征在于，所述第二延迟光纤的长度大于第一延迟光纤的长度，且差异值小于1m。

7.根据权利要求1或2或3或4所述基于补偿干涉的光纤水听器阵列结构，其特征在于，还包括真空隔振组件，所述补偿干涉组件位于真空隔振组件中以将外界声/振动干扰对补偿干涉组件的影响降至最低。

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